양자 컴퓨터의 실현에 필요한 본질적 특징 중 하나는 양자 얽힘(quantum entanglement)이다.

비엔나대학과 오스트리아과학원( ÖAW) 물리학자들이 전례 없는 효율로 대규모 양자계에서도 얽힘 현상을 감지하는 새로운 기법을 제시했다.

이는 과학자들이 신뢰할 수 있는 양자 연산의 구현에 한 걸음 더 가까워지게 한다. 새로운 결과는 양자장치의 미래 세대와 직접적인 관련이 있으며, 학술지 네이처 피직스(Nature Physics) 최신호에 게재됐다.

양자 연산은 특정 작업을 위해 표준 컴퓨터의 능력을 능가할 수 있는 잠재력 때문에 많은 과학자들의 관심을 끌고 있다. 양자 컴퓨터의 실현을 위해서는 가장 본질적인 특징 중 하나가 양자 얽힘이다. 이것은 여러 개의 양자 입자가 복잡한 방법으로 상호 연결되는 효과를 설명한다. 얽힌 입자 중 하나가 외부 측정에 의해 영향을 받는 경우, 서로 아무리 멀리 떨어져 있더라도 다른 얽힌 입자의 상태 역시 변한다.

많은 과학자들은 양자계에서 이 필수적인 양자 기능의 존재를 검증하기 위한 새로운 기술을 개발하고 있다. 양자 정보의 기본 단위인 몇 큐비트(qubit)만 포함하는 시스템에 대해 효율적인 방법이 테스트됐다. 그러나 양자 컴퓨터의 물리적 구현은 훨씬 더 큰 양자 시스템을 필요로 할 것이다. 기존의 방법으로는 많은 반복적인 실험 수행이 필요하기 때문에 대형 시스템의 방해 검증은 어렵고 시간이 많이 소요된다.

최근 이론적 계획을 바탕으로, 필립 왈더(Philip Walther)와 보리보예 다킨치(Borivoje Dakich)가 이끄는 비엔나대와 ÖAW의 실험, 이론 물리학자들로 이루어진 팀은 벨그라데(Belgrade) 대학 연구진들과 함께 얽힘 입증(entangle verification)이 잛은 시간에 놀랍도록 효율적인 방식으로 수행될 수 있다는 것을 성공적으로 입증했다. 이를 대규모 양자 시스템에도 적용할 수 있다.

그들의 새로운 방법을 시험하기 위해, 그들은 6개의 얽힌 광자(photons)로 구성된 양자 시스템을 실험적으로 구성했다. 그 결과 99.99%까지 극히 높은 신뢰도로 얽힘의 존재를 확인하는 데 몇 번의 실험만으로 충분하다는 것을 알 수 있다.

검증된 방법은 다소 간단한 방법으로 이해할 수 있다. 실험실에서 양자 시스템이 생성된 후, 과학자들은 그 시스템에 적용되는 특정한 양자 측정을 신중하게 선택한다. 이러한 측정의 결과는 얽힘의 존재를 확인하거나 부정하는 결과를 초래한다.

논문 제1저자인 발레리아 사지오(Valeria Saggio)는 “이는 양자시스템에 ‘예스, 노’라는 질문을 하고 주어진 답을 적어두는 것과 비슷하다”며 “긍정적인 답변이 많을수록 양자얽힘 확률은 높아진다”고 말했다.

양자얽힘을 증명하기 위해 필요한 질문과 대답의 양은 극히 적다. 이는 새로운 기술이 전통적인 방법에 비해 훨씬 더 효율적이라는 것을 증명한다. 어떤 경우에는 필요한 질문의 수가 시스템 크기와도 무관해 향후 양자 실험을 위한 새로운 가능성을 열었다.

양자 컴퓨터의 물리적 구현은 여전히 다양한 도전에 직면하고 있다. 효율적인 얽힘 검증과 같은 새로운 기술은 분야를 한 단계 더 발전시키는데 기여할 수 있다.